Магнитные и вихретоковые методы
УДК 620.179.14
МОДЕЛИ МАГНИТНЫХ ЗАРЯДОВ И ПОТОКОВ В ЗАДАЧЕ
ДЕФЕКТОСКОПИИ С ЛОКАЛЬНЫМ НАМАГНИЧИВАНИЕМ
А.П. Гусев
Обсуждены результаты экспериментальных исследований напряженности магнитного поля поверхностных дефектов магнитомягких и магнитожестких образцов сталей при намагничивании их двухполюсным электромагнитом. Установлены особенности взаимосвязи формирования магнитного поля поверхностных дефектов с потоками магнитной цепи. Полученное аномальное соотношение напряженностей магнитных полей дефектов магнитомягких и магнитожестких сталей рассмотрено с позиций потоковой модели, особенностью которой является наличие внутреннего магнитного потока намагниченности, силовые линии которого замыкаются внутри намагничиваемого тела. На основе результатов выполненных исследований проведено сравнение зарядовой и потоковой моделей.
Ключевые слова: магнитное поле, дефект, магнитная цепь, поток, намагниченность, магнитная проницаемость, электромагнит, магнитный заряд.
ВВЕДЕНИЕ
Проблемы идентификации и оценки параметров дефектов при магнитной дефектоскопии стальных изделий, связанные с определением намагниченности материала [1—6], в некоторой степени могут быть ослаблены на стадии проектирования средств дефектоскопии и разработки методик обработки результатов на основе модели, наиболее полно учитывающей формирование магнитных потоков при намагничивании контролируемых объектов. Особенно это актуально в случаях использования метода локального намагничивания приставными устройствами, в частности электромагнитами, магнитное поле которых неоднородно.
Магнитопровод электромагнита вместе с намагничиваемым объектом образуют магнитную цепь, основные потоки которой можно разделить на два функционально различающихся потока: обобщенный магнитный поток Фо, проходящий через все части магнитопровода магнитной цепи, и магнитный поток рассеяния Ф отдельных частей магнитопровода, силовые линии которого, выходя из металла, замыкаются через воздушное пространство. В практических задачах магнитного неразрушающего контроля с использованием приставных намагничивающих устройств величину намагниченности М материала изделия обычно задают по потоку Фо: либо по индукции Вм в магнитопроводе, либо по индукции Вз в зазоре магнитной цепи [7, 8]. Этот метод дает лишь некоторое представление (в рамках конкретной модели) о средней по объему изделия намагниченности, но не касается вопроса о распределении ее внутри тела. Однако именно последнее является существенным для дефектоскопии изделий, так как дефект может находиться в различных местах изделия, и поле Н рассеяния дефекта определяется намагниченностью материала в месте его расположения.
Более полное представление о намагниченности материала может быть получено расчетным путем с учетом распределения намагничивающего Но поля, формы тела и потока Ф . Однако расчеты намагниченности М материала изделий связаны с проблемой однозначности решения обратных задач [9, 10], поэтому чаще всего решаются прямые задачи нахождения магнитной индукции или магнитного поля системы [11—14]. Тем не менее актуальность проблемы с распределением намагниченности материала в контролируемых изделиях остается, а вместе с ней — неопределенность в оценке параметров дефектов по их магнитному полю Н.
Александр Петрович Гусев, доктор техн. наук, главный научный сотрудник. Институт прикладной физики НАН Беларуси, г. Минск. Тел. (017) 284-24-30. E-mail: gusevap@iaph. bas-net.by
Примером в этом отношении могут служить исследования полей рассеяния дефектов, расположенных в различных частях намагничиваемых стальных прутков [15—17]. В этих работах приведены данные о зависимости распределения напряженности поля дефекта от места его расположения между центром и торцом прутка, что объясняется различием распределения намагниченности материала в местах расположения дефекта. Кроме того, в [15] показана зависимость от места расположения также формы частного гистерезисного цикла поля дефекта при перемагничивании образцов.
Другим проявлением влияния намагниченности внутри изделий на поле дефектов является зависимость распределения М по глубине образцов от магнитных свойств материала. В [8] экспериментально установлено, что при намагничивании стальных образцов двухполюсным электромагнитом намагниченность поверхностного слоя металла в межполюсном пространстве может быть меньше, чем в более глубоких слоях металла. С аналогичным намагничиванием в [18] выполнены исследования магнитного поля поверхностных дефектов сталей с различными магнитными свойствами. При этом установлено аномальное соотношение напряженности магнитных полей дефектов этих сталей: отношение (обозначим его символом Р) напряженности Нж поля дефектов магнитожестких сталей к напряженности Нм магнитомягких больше единицы (Р = Нж/Нм > 1). По известным представлениям соотношение должно быть обратным, так как магнитомягкие материалы в одинаковых условиях намагничиваются сильнее магнитожестких. Аномальное отношение Р > 1 напряженности полей объяснено в [18] размагничивающим действием поверхностного магнитного диполя в рамках модели магнитных зарядов, образующихся на поверхности намагничиваемого тела при пересечении ее магнитным потоком.
Зарядовые модели наглядны и просты для понимания, однако в применении к магнитным явлениям они являются скорее абстрактным аналогом физических процессов и их применение основано на информации о характеристиках реальных магнитных потоков. Полезно результаты исследований [18] рассмотреть в рамках потоковой модели и провести сравнение с зарядовой моделью.
В настоящей работе на основе экспериментальной модели [18] проведены дополнительные исследования взаимосвязи формирования магнитного поля поверхностных дефектов различных сталей с потоками магнитной цепи. Для лучшего понимания результатов измерений и сравнения потоковой и зарядовой моделей целесообразно напомнить условия эксперимента.
ОБРАЗЦЫ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ Экспериментальные образцы
В эксперименте исследовано магнитное поле поверхностных дефектов образцов в виде пластин толщиной 10 мм различных сталей 40Х (ГОСТ 4543—71), 30ХГСА (ГОСТ 4543—71) и ЭП56Ш (09Х16Н4Б, ТУ 14-1-1530-75) в различных структурных состояниях, полученных закаливанием образцов и последующим отпуском при различных температурах. Образцы аттестованы по коэрцитивной силе Н значения которой представлены в таблице.
Коэрцитивная сила образцов сталей 40Х, 30ХГСА и 09Х16Н4Б
Материал Данные
40Х № образца Н , А/м с' 1 590 2 995 3 1008 4 1075 5 1094 6 1283
30ХГСА № образца Н , А/м с' 7 965 8 1182 9 1382 10 1404 11 1405
09Х16Н4Б № образца Н , А/м с' 12 2936 13 3158 14 3323 15 3540 16 4312
Для имитации поверхностных дефектов типа трещины на образцы электроэрозионным методом нанесены искусственные прямоугольные пазы размером: длина 20, ширина 0,4 и глубина 0,8 мм.
Экспериментальная модель и методика измерений
Измерения магнитных полей дефектов выполнены на лабораторной автоматизированной установке, имеющей высокое разрешение по позиционированию измерительного преобразователя (2,5 мкм) и по напряженности измеряемого магнитного поля (~10 А/м).
Схема экспериментальной модели представлена на рис. 1. Источником намагничивающего поля является электромагнит 1 П-образного типа, магни-топровод которого, выполненный из стали АРМКО, имеет ширину а = 20 мм, межполюсное расстояние А = 40 мм и высоту Ь = 155 мм. Полюсы электромагнита расположены симметрично относительно начала координат с зазором у = 0,2 мм до поверхности образца 3. Поверхностный дефект 4 в виде прямоугольного паза расположен вдоль оси Z симметрично относительно полюсов электромагнита.
Г
Рис. 1. Исследуемая экспериментальная модель:
1 — полюса электромагнита; 2 — измерительный датчик в крайних положениях; 3 — образец;
4 — поверхностный дефект.
Датчик 2, находящийся над поверхностью образца на расстоянии й = 0,6 мм, перемещается вдоль оси Х в пространстве между полюсами магнитопровода на величину I = АХ = 10 мм. Измерения напряженности поля проводили с интервалами 0,2 мм. Значение измеряемой составляющей напряженности Н магнитного поля дефекта определяли по разности двух измерений: одно измерение — при расположении дефекта между полюсами (измерение с дефектом), другое — на бездефектном участке того же образца (измерение без дефекта). Одновременно при заданном намагничивающем токе измеряли магнитную индукцию Вз в зазоре между полюсом электромагнита и поверхностью образца. При переустановке образцов проводили тщательное их размагничивание, а также размагничивание магнитопровода электромагнита.
Для получения характеристик взаимосвязи магнитного поля дефекта с потоками магнитной цепи все измерения напряженности полей проведены синхронно в зависимости от силы тока I электромагнита.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИИ
Результаты измерений иллюстрированы графиками на рис. 2—4.
На рис. 2 представлена зависимость индукции Вз в зазоре магнитной цепи от силы тока I электромагнита. В диапазоне малых токов (примерно до 0,5 А) у всех исследованных сталей с увеличением силы тока наблюдается быстрый рост индукции и далее — переход к насыщению. При этом следует отметить, что у магнитомягких сталей нарастание индукции происходит быстрее и величина индукции больше, чем у магнитожестких.
cq 0,6 0,4 0,2 0
0
I, A
Рис. 2. Зависимость магнитной индукции в зазоре магнитной цепи от силы тока электромагнита.
На рис. 3 представлена зависимость нормальной составляющей ёИ напряженности поля над бездефектными образцами трех сталей в точках Х12 = ±1,5 мм. Здесь ёИу — значения напряженности поля, усредненные по образцам марки стали. Кривые имеют начальный участок быстрого роста, переходящий затем в более медленный рост напряженности. При этом в зоне быстрого роста кривая от образцов стали ЭП56Ш расположена ниже кривых двух других сталей, а в зоне медленного роста — выше. Кроме того, следует отметить, что значения ёИ над образцами обследованных сталей в зоне медленного роста почти одинаковы — отличия незначительны.
9
8
7
6
S 5
4
3
2
1
0
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.